3. 1. 4 新世代ネットワーク研究センター 量子 I CTグループ
グループリーダー 佐々木雅英 ほか 7名
量子情報通信技術の研究開発
【概 要】
現在の情報通信技術は 19世紀に確立された物理法則に基づいており、すでに光ファイバの電力密度限界や最 新技術による暗号解読の危機が指摘されるなど、今後も次々と物理的限界を迎える事が予測される。このよう な限界を打破するため、究極の物理法則「量子力学」に基づいて、絶対安全な量子暗号通信や従来理論の容量 限界を打破する量子情報通信の研究開発を産学官連携により戦略的に進めている。
量子暗号通信は、送受信者間で絶対安全な鍵を共有するための量子鍵配送技術がキーになる。単一光子、或 いは特殊な結びつきをもった一対の光子である量子もつれ状態で鍵を送信する技術の研究を行っている。
量子情報通信は、量子力学を用いて現在の光通信の様々な性能限界を乗り越え、大容量かつ安全な通信を実 現するための新世代ネットワーク技術として期待されている。ネットワーク上のさまざまな場所で量子もつれ による結びつきを共有する事が出来れば、超並列計算や盗聴不可能な暗号通信、さらには低電力・大容量通信 実現の道が拓かれる。
【平成 22年度の成果】
（１） 量子暗号通信： 量子暗号ネットワークの試験運用を開始 量子暗号は、理論上どのような技術でも盗聴できな い究極の暗号技術である。その方法はまず、送り手と 受け手に量子鍵配送装置を用意し、光回線を介して盗 聴を完全に排除した絶対安全な秘密鍵を共有する。
次に、一度使用した鍵は二度と使わないワンタイム パッド方式で送りたい情報を暗号化する（図 1）。量 子鍵配送は極めて高度な技術で、実用化には多くの課 題があり、これまでのアメリカ国防総省や欧州連合の プロジェクトでは、データ量の少ない音声データの暗 号化が限界で、伝送距離も敷設ファイバで数 10km 程 度が限界だった。我が国では 2001年から NICTの産 学官連携プロジェクトにより、都市圏で完全秘匿テレ ビ会議が実現できる世界最高速の量子鍵配送技術の 研究開発に取り組んできた。
平成 22年度は、上記プロジェクトの 10年目に当た
る。量子 ICTグループは、この間の自主研究の成果を基に NICT委託研究の受託機関である日本電気株式 会社、三菱電機株式会社、日本電信電話株式会社と共に、NICTのテストベッド JGN2plus上の 4つの拠点 に量子鍵配送装置を設置し、10km から最長 90km まで複数の回線パターンからなる量子暗号ネットワーク
（Tokyo QKD Network）を構築し、様々な盗聴攻撃の検知実験、及び完全秘匿なテレビ会議システムの試 験運用を行った（図 1）。未来 ICT研究センターのナノ ICTグループとともに開発した超伝導光子検出器を 量子鍵配送装置に組み込むことで、45km の光ファイバ回線で毎秒約 10万ビットと、実環境では世界最高 速の秘密鍵生成速度を達成した。また、併せて、国際標準化に向け、ヨーロッパの研究機関（東芝欧州研究 所、ID Quantique、オーストリア工学研究所、量子情報・量子光学研究所、ウィーン大学）のシステムと の相互接続実験も行い、最新のアプリケーションインターフェースを開発した。
関連の成果は、NHKニュース、ワールドビジネスサテライトなどのテレビ、毎日新聞、日本経済新聞な ど 14紙の新聞、日経サイエンス（11月号）、Nature Photonics（1月号）などの 4つの専門誌ニュース欄、
及び 39のウェブサイトで紹介された。
今後、さらに技術改善を進めるとともに試験運用を継続して、国家レベルの機密通信、電力・ガス・水道 網などの重要インフラを監視する通信保護や、金融機関の秘匿通信等に順次適用できるよう取り組んでいく。
3.1 新世代ネットワーク研究センター
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図 1 量子暗号ネットワーク (Tokyo QKD Network)と盗 聴不可能なテレビ会議システム
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yoshida Title:p018̲019-3̲1̲4.ec7 Page:18 Date: 2011/09/26 Mon 18:36:18
３
活 動 状 況 3.1 新世代ネットワーク研究センター
（２） 量子情報通信： 将来のネットワークノード内で光信号を量子的に制御する基礎技術を開発 ～連続量量子ビットを世界で初めて実現～
従来のデジタル情報は 0か 1のどちらかの状態しかと ることができないが、量子情報技術では 0と 1だけでな く“０でもあり同時に１でもある”重ね合わせ状態も とることができる（図 2上部）。この新しいデジタル信 号は量子ビットと呼ばれ、従来不可能だった超並列計算 を可能にする。これまで光の量子ビットには、光の粒子 としての特性である光子の偏光が利用されていたが、光 ファイバ伝送に適した信号形態ではないため応用用途 が限られていた。
平成 22年度は、光ファイバ伝送で使われている光の 波動性を利用した光波信号で量子ビットを構成するこ とに世界で初めて成功した（図 2下部）。光ネットワー クの中継地点の装置（ノード）に量子 ICTを導入する 際の重要な基盤技術となる。量子ビット自体は損失に 弱く長距離伝送が難しいが、光ネットワークのノード内 において局発光として利用することで従来の伝送容量 の限界であるシャノン限界を超える通信が可能になる。
多数の量子ビットをノードで用意し、光波信号と干渉 させながら情報を復号する量子デコーダを開発できれ ば究極の容量限界であるホレボー限界が実現できる。
本成果は、物理学の専門誌としても最も権威がある
「PhysicalReview Letters」に掲載された。さらに、ア メ リ カ の 光 学 学 会 の 月 刊 誌「Opticsand Photonics News」の 12月号において、2010年の光学分野におけ る主要成果“Opticsin 2010”の 1つに選ばれ、雑誌の 表紙を飾った（図 3）。表紙の図は、量子ビットの表現 法であるポアンカレ球である。従来の偏光量子ビット は、2次元の系のためポアンカレ球上の位置ですべての 性質が表現できるのに対し、光波量子ビットは連続値 を取る無限次元系であるため、各点には連続量の波動 関数（カラーのとんがり帽子のような分布関数）が付 随している。
（３） 成果展開： イオンの冷却技術を光周波数標準へ 量子情報通信の基礎技術として開発していたカルシ ウムイオン冷却技術を高度化するとともに、小規模量 子計算を利用した量子論理分光法に基づく次世代光周 波数標準システムとして、インジウムイオン-カルシウ ムイオン複合系の共同冷却技術を開発した（図 4）。今 後、光・時空標準グループと協力し、新しい光周波数 標準の実現へ向けて、さらに精度改善とシステム化を 行う。
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図２ 上部： 従来のデジタル情報と量子ビットの違い 下部： 光波信号で量子ビットを生成する実験装置
の写真
スクィーズド光と光子検出器からなる量子信号処 理回路を用いて光波信号で量子ビットを生成する。
図 4 冷却イオン制御系（左）と冷却されたカルシウムイ オンやインジウムイオン
図 3 Optics and Photonics News誌 12月号の表紙
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yoshida Title:p018̲019-3̲1̲4.ec7 Page:19 Date: 2011/09/26 Mon 18:36:20
